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该剧围绕拥有航天梦的吴畏展开，他入职档案馆后因表现突出被选入飞控中心牧星战队，与曾产生矛盾的学霸应子期成为队友。两人从最初的对立到经历国际空间轨道大赛、皓月四号及五号等任务后逐渐合作，最终协力完成月壤采集任务。
机器人大赛前夕，吴畏作为参赛方领队误闯了对手休息室，被误会损坏对方机器人，小插曲影响不了他必胜的信念。当得知飞控中心领导覃伯钧将观摩，他更是信心十足赢下比赛，却因机器人超重违规被对手举报，取消了夺冠资格，对手反败为胜。吴畏理论时发现对手竟是童年玩伴应子期。 学霸应子期毕业时放弃读博，与吴畏重逢勾起往事：幼时因吴畏显摆自制火箭炮挨批评，又因错过约定比赛致吴畏错失冠军。十年后的现在，应子期沉稳却迷茫，吴畏莽撞却充满干劲。 比赛结束后，吴畏面试飞控中心失利，覃伯钧递给他档案馆招聘公告；同时覃伯钧招揽应子期加入飞控，以单身宿舍为饵，透露将组建新人团队"牧星战队"迎接挑战。
吴畏入职航天城档案馆，应子期加入飞控中心，两人成为室友后继续较劲。档案馆里，吴畏因处理文件不当被馆长赵强军严厉教育；而应子期与曲若楠、蔡博鳌换上制服，参与"龙舟一号"和"龙宫二号"交会对接任务，获得珍贵观摩机会。吴畏羡慕不已，极力争取观摩资格却被赵强军批评拒绝，只能在档案馆埋首资料。
吴畏在档案馆进行枯燥的数字化归档工作，覃伯钧借下棋与赵强军暗中布局"鲶鱼计划"。原队员侯星宇因压力离职，覃伯钧将未通过实习期的牧星三人交给楚佳佳，要求他们独立完成交会对接复盘报告。吴畏逐渐发现档案馆是座"藏经阁"，赵强军竟是"方舟一号"功臣。反观牧星三人组面对复盘工作一筹莫展，陷入低谷。
吴畏改进档案检索系统，主动帮助陷入困境的牧星三人完成复盘方案，获得楚佳佳和覃伯钧认可。覃伯钧看穿吴畏参与其中，决定让他加入牧星战队实习。模拟飞控考核中，吴畏方案被应子期指摘参数错误，二人产生争执。
应子期父母突然到访，吴畏向陈冰（应母）讲述航天人理解，触动应子期。吴畏向应子期吐露童年火箭比赛误会真相：当年因母亲突然离世未能赴约。模拟飞控中，牧星战队因速度未能降下导致两器相撞失败。覃伯钧未斥责，只嘱咐记住教训。吴畏心灰意冷回家，应子期被覃伯钧拷问初心，二人冰释前嫌。
覃伯钧和赵强军准许吴畏留在飞控，他正式加入牧星战队。星桥中继星任务开始，牧星四人基础工作完成度差，被楚佳佳批评。吴畏得知国际空间轨道大赛，力邀众人参加。应子期只想"躺平"，吴畏用激将法引起其兴趣，后答应为大家服务换取应子期加入。吴畏拍楚佳佳马屁想获取比赛思路。
谷立峰调任成为新领导，其部下张自明、蒋梦瑶加入。蔡博鳌透露因航天世家出身想靠实力赢得尊重。牧星四人瞒着楚佳佳参加空间轨道大赛被发现，楚佳佳愤怒禁止并加派任务。吴畏执着坚持，感动队友合力完成方案，但参赛排名被挤到五十名外，楚佳佳得知众人再次私下参赛后到宿舍问罪。
楚佳佳看牧星众人满腔热忱，帮助其熬夜优化方案，但关键卫星数据工具包对中国禁用，申请超级计算机又遇阻。覃伯钧生日团建，谷立峰得知数据封锁后主动争取超算时间。比赛倒计时，航天城师哥师姐纷纷来宿舍帮忙，谷立峰挤出三小时超算时间。最终牧星战队战胜外国队夺冠，应子期首次喝醉，为团队自豪。
星桥任务中，谷立峰否决楚佳佳方案，采纳蒋梦瑶版本。覃伯钧与谷立峰针锋相对，演示后蒋方案胜出。谷立峰宣布见习期结束仅一个转正名额，应子期被钦点加入蒋梦瑶团队。四人工作汇报仅应子期优异，其余不及格。吴畏被调往车间解决图们卫星相机故障，谷立峰意识到是覃伯钧"开小灶"锻炼。
应子期暗中解决相机故障，引导吴畏让他表现。曲若楠与菜包被蒋梦瑶特训，制造信息差激发潜力。牧星四人参加星桥发射，图们一号失联。吴畏和应子期前往深空站搜索，曲若楠和菜包分析数据。成功定位故障原因后，两人在暴雨中搀扶返回，说开"喂招"之事，约定各凭实力。
图们二号"修正完成，谷立峰"魔鬼训练"效果显著。航天周火箭大赛，应子期向吴畏发起挑战，完成童年未竟约定，比赛最终被许栩带领的队伍夺冠。牧星四人全员通过考核，庆祝时遇导师李奇潭送别宴。楚佳佳带四人到废弃天文台，展示覃、谷二人年轻时誓言，讲述航天人艰辛历程。新人入职仪式结束，吴畏得知赵强军即将退休后前去探望，赵强军将钱老钢笔赠予吴畏，中国航天精神被再次传承。
皓月四号窗口期提前，吴畏和应子期进试验内场配合许栩解决月兔车软件问题，曲若楠、菜包负责落点方案。许栩要求严苛不断推翻二人方案，并碾压式胜出后惩罚他们出洋相。吴畏发现许栩是"月兔一号"负责人，为讨好关系赠送"月兔一号"模型，却意外揭开许栩伤疤，惹其勃然大怒。应子期找覃伯钧请教时目睹其发病，覃伯钧请求隐瞒病情。
谷立峰通过曹主任得知覃伯钧患病，以强硬态度让其住院疗养。皓月四号的着陆点方案不顺利，曲若楠菜包主动请缨分担任务。月兔车这边许栩再次推翻方案，应子期争执后负气离开。菜包焦虑开溜打游戏，曲若楠发现后斥责其不争气，失望离开后约见应子期相互倾诉。而菜包独自悲伤时被路过的一拳师哥开导，一时间，因大家的焦虑情绪都得到了化解。应子期接谷立峰电话得知覃伯钧手术紧急，吴畏尾随追至医院才知病情，同时埋怨应子期得知覃伯钧病情严重却不告知，与应子期产生隔阂。
应子期隐瞒覃伯钧病情，吴畏生气而疏离应子期。许栩宣布方案调整完毕，点明航天人必须放下个人情绪。月兔车测试遇故障，许栩再次推翻方案。吴畏每晚照顾覃伯钧，不让应子期探望。应子期被安排做数据核算，负气离开。吴畏在健身房找到应子期，二人挥拳发泄情绪，决定先帮许栩走出月兔一号失败阴影，证明自己能力，小团体再次凝聚。
二人合作新方案打动许栩。吴畏灵光一现，想到机器人大赛的避障系统可用于月兔车。测试时因未调试好损坏试验车，修复需时间人手。楚佳佳带团队赶来支援，众人合力修复。最终测试成功，月兔车完成避障甚至极端情况任务。众人赶去报喜，迎接覃伯钧出院。因高山二号发射展开测试任务，楚佳佳成皓月四号负责人，曲若楠菜包去西安，吴畏应子期被派去酒泉在高原展开活动测控，应子期因高反严重，状态不妙。
活动测控途中应子期突发高原反应，因天气恶化无法及时下撤。卫星发射后应子期发烧昏迷，狂风击中测控车，吴畏擅自离岗检查线路错过呼叫，导致触犯纪律，因此二人被一同调离皓月四号任务组。吴畏写调职申请想担责，被应子期发现制止。应子期带吴畏到酒泉烈士陵园，听退休航天人讲述战友故事，两人重振旗鼓约定向先辈学习不轻言放弃。于此同时皓月四号落月成功，也是人类第一个着陆月球背面的探测器。
皓月四号成功登陆月背，月兔二号完成两器互拍。吴畏应子期接受处分调往日常监控组。任务结束，众人面临选择：菜包曲若楠进皓月五号组；吴畏得知张自明选人建深空组阵；许栩找应子期参与月壤任务；楚佳佳报名世界航天协会交流。应子期下定决心跟许栩"拿月壤"，曲若楠生气应子期未告知离别，两人未说明感情。张自明通知吴畏出发，楚佳佳送学习资料，吴畏送楚佳佳项链表心意，并与应子期约定后会有期。
吴畏在喀什站与张自明、老严研发深空组阵。楚佳佳出国参与世界航天协会学术交流展示中国航天人风采，休息期间与吴畏互通消息，两人感情逐渐微妙。喀什站深空组阵屡出问题，张自明设计考验激发吴畏斗志。巡检时三人分头行动，风沙导致吴畏失联。应子期等伙伴担心，远在国外的楚佳佳也焦急致电覃伯钧，意识到吴畏重要性。吴畏在洋大曼小学仓库醒来，看到楚佳佳表露心迹信息，用个人风格照片报平安。
吴畏了解洋大曼航天前辈故事，为当地小学讲述航天发展。在喀什站过小年时接到楚佳佳，她主动加入深空组阵工作。测试屡屡失败，周期逐渐紧张，吴畏提议逐行检查代码被张自明否决，最后楚佳佳用老航天人故事说服张自明同意吴畏方案。应子期许栩在西安完成对接测试，因北京归零需重新设计。曲若楠意外到西安，应子期前去探望讲出航天人的浪漫。最终皓月五号模拟测试成功，喀什站天线组阵测试成功，楚佳佳见证吴畏成正，二人终于平视相待，吴畏在山顶表白获楚佳佳同意。除夕夜牧星小队视频连线，皓月五号任务前众人升职再团聚。
牧星战队再次集结，飞控进入集同作战模式。覃伯钧癌症复发扩散无法手术，吴畏激发团队斗志。皓月五号成功发射，覃伯钧被推到飞控大厅，万众瞩目中月壤采集成功，交会对接时遇太阳耀斑电磁风暴干扰，牧星人沉稳执行预案，成功完成对接转移样品。覃伯钧发出返回指令，众人欢呼。飞控大屏幕上的卫星——它将带回中国的第一抔月壤。 一代代追梦的中国航天人，历经磨砺与成长，始终奋勇前进。我们的征途是星辰大海，人生为继，绝不到头。
